DE202017107056U1

DE202017107056U1 - Optoelectronic detection device

Info

Publication number: DE202017107056U1
Application number: DE202017107056.5U
Authority: DE
Original assignee: Sick Stegmann GmbH
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-02-25
Anticipated expiration: 2027-11-22

Abstract

Optoelektronische Erfassungsvorrichtung (1) zum Erfassen eines Drehwinkels einer rotierenden Welle (W), umfassendzumindest eine Lichtquelle (2), die eine Oberfläche (O) einer Endfläche (A) der Welle (W) bestrahlt und insbesondere koaxial zu einer Drehachse (1A) der Welle (W) angeordnet ist,mindestens drei Lichtempfänger (3a - 3d), die jeweils von der Oberfläche (O) reflektiertes Licht empfangen und entsprechende Signale generieren, wobei die Lichtempfänger (3a - 3d) derart zueinander angeordnet sind, dass eine Empfangsebene für das reflektierte Licht gebildet ist, in der eine x-y Ebene eines Koordinatensystem (x, y, z) definiert ist, undeine Auswerteeinheit (4) zum Bestimmen des Drehwinkels,wobei die Oberfläche (O) Bereiche (5, 5a) mit unterschiedlichem Reflexionsgrad aufweist, und die Auswerteeinheit (4) x-y-Koordinaten eines Intensitätsmaximums des reflektierten Lichts in der Empfangsebene aus den Signalen der Lichtempfänger (3a - 3d) ermittelt und anhand dieser x-y-Koordinaten den Drehwinkel der rotierenden Welle (W) bestimmt.An optoelectronic detection apparatus (1) for detecting a rotation angle of a rotating shaft (W), comprising at least one light source (2) irradiating a surface (O) of an end surface (A) of the shaft (W), and more particularly coaxial with a rotation axis (1A) Shaft (W) is arranged, at least three light receivers (3a - 3d), each of the surface (O) received light and generate corresponding signals, wherein the light receiver (3a - 3d) are arranged to each other such that a receiving plane for the a reflected light is defined in which an xy plane of a coordinate system (x, y, z) is defined, andan evaluation unit (4) for determining the angle of rotation, the surface (O) having regions (5, 5a) with different reflectance, and the evaluation unit (4) determines xy coordinates of an intensity maximum of the reflected light in the reception plane from the signals of the light receivers (3a-3d) and based on this xy coordinate th the rotation angle of the rotating shaft (W) determined.

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels einer rotierenden Welle gemäß dem Anspruch 1.The invention relates to an optoelectronic detection device for detecting a rotation angle of a rotating shaft according to claim 1.

In vielfältigen Industrieanwendungen werden optoelektronische Erfassungsvorrichtungen, beispielsweise in Form von optoelektronischen Sensoren bzw. Drehgebern, dazu verwendet, um einen Drehwinkel von sich um eine Drehachse rotierenden Welle zu bestimmen. Hierzu ist die Erfassungsvorrichtung als separater eigenständiger Drehgeber oder als Bestandteil eines Motorfeedbacksystems vorgesehen. Sowohl als eigenständiger Drehgeber als auch als Bestandteil des Motorfeedbacksystems weist die Erfassungsvorrichtung zumindest eine Lichtquelle auf, die eine an der Welle befestigte und mit der Welle mitdrehende Codescheibe bestrahlt. Die Codescheibe reflektiert das Licht mit einer Codierung auf Lichtempfänger zurück, wobei die Lichtempfänger das rückreflektierte Licht mit der Codierung zu Signalen verarbeiten und einer Auswerteeinheit zur Verfügung stellen.In various industrial applications, opto-electronic detection devices, for example in the form of optoelectronic sensors or rotary encoders, are used to determine a rotation angle of a shaft rotating about a rotation axis. For this purpose, the detection device is provided as a separate independent encoder or as part of a motor feedback system. Both as an independent rotary encoder and as part of the motor feedback system, the detection device has at least one light source, which irradiates a codewheel attached to the shaft and rotating with the shaft. The code disk reflects the light back to the light receiver with an encoding, wherein the light receivers process the back-reflected light with the coding to form signals and make it available to an evaluation unit.

Die Auswerteeinheit, beispielsweise in Form eines Prozessors, wertet die Signale aus und ermittelt daraus den Drehwinkel der rotierenden Welle.The evaluation unit, for example in the form of a processor, evaluates the signals and determines therefrom the rotational angle of the rotating shaft.

Solch eine Ausgestaltung einer optoelektronischen Erfassungsvorrichtung hat den Nachteil, dass eine Ermittlung des Drehwinkels der Welle aufgrund der Codierung der Codescheibe kompliziert und schwierig ist. Ferner ist die Erfassungsvorrichtung teuer in der Herstellung, da ein sehr genauer Zusammenbau der Erfassungsvorrichtung gewährleistet sein muss, um eine hohe Erfassungsgenauigkeit der Erfassungsvorrichtung gegenüber mechanischen Störgrößen, wie beispielsweise eine ungenaue Montage der Codescheibe an die Welle oder eine nicht exakte Ausrichtung der optischen Komponenten (Lichtquelle, Lichtempfänger und Codescheibe) zueinander, zu erhalten.Such a configuration of an opto-electronic detection device has the disadvantage that a determination of the rotation angle of the shaft due to the coding of the code disk is complicated and difficult. Furthermore, the detection device is expensive to manufacture, since a very accurate assembly of the detection device must be ensured to high detection accuracy of the detection device against mechanical disturbances, such as an inaccurate mounting of the code disc to the shaft or a non-exact alignment of the optical components (light source , Light receiver and code disc) to each other, to obtain.

Als Bestandteil eines Motorfeedbacksystems benötigt die bekannte optoelektronische Erfassungsvorrichtung viel Bauraum, aufgrund beispielsweise der an dem Motor vorzusehenden Codescheibe und Lagern für die optischen Komponenten.As part of a motor feedback system, the known opto-electronic detection device requires a lot of installation space, due to, for example, the code disc and bearings for the optical components to be provided on the motor.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine einfache Bestimmung eines Drehwinkels einer Welle erzielbar ist.It is therefore an object of the invention to improve an optoelectronic detection device of the type mentioned in such a way that a simple determination of a rotation angle of a shaft can be achieved.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by an optoelectronic detection device with the features of claim 1.

Mit anderen Worten, die optoelektronische Erfassungsvorrichtung umfasst zumindest eine Lichtquelle, die eine Oberfläche einer Endfläche der Welle bestrahlt und insbesondere koaxial zu einer Drehachse der Welle angeordnet ist, mindestens drei Lichtempfänger, die jeweils von der Oberfläche reflektiertes Licht empfangen und entsprechende Signale generieren, wobei die Lichtempfänger derart zueinander angeordnet sind, dass eine Empfangsebene für das reflektierte Licht gebildet ist, in der eine x-y Ebene eines Koordinatensystem definiert ist, und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen des Drehwinkels, wobei die Oberfläche Bereiche mit unterschiedlichem Reflexionsgrad aufweist, und die Auswerteeinheit x-y-Koordinaten eines Intensitätsmaximums des reflektierten Lichts in der Empfangsebene aus den Signalen der Lichtempfänger ermittelt und anhand dieser x-y-Koordinaten den Drehwinkel der rotierenden Welle bestimmt.In other words, the optoelectronic detection device comprises at least one light source, which irradiates a surface of an end face of the shaft and is arranged, in particular, coaxially to a rotation axis of the shaft, at least three light receivers each receive light reflected from the surface and generate corresponding signals Light receiver are arranged to each other such that a receiving plane for the reflected light is formed, in which an xy plane of a coordinate system is defined, and an evaluation unit for determining the angle of rotation, the surface having regions with different reflectance, and the evaluation unit x - y Coordinates of an intensity maximum of the reflected light in the receiving plane from the signals of the light receiver determined and determined on the basis of these xy coordinates, the rotation angle of the rotating shaft.

Es ergibt sich der Vorteil, dass aus dem einfachen Aufbau der Erfassungsvorrichtung eine erhöhte Robustheit der Erfassungsvorrichtung gegenüber mechanischen Störungen, wie beispielsweise Stöße oder Fehlstellung der Welle zu den optischen Komponenten, erzielbar ist. Hierbei werden unter den optischen Komponenten die Lichtquelle und die Lichtempfänger verstanden.This results in the advantage that from the simple structure of the detection device increased robustness of the detection device against mechanical disturbances, such as shocks or malposition of the shaft to the optical components, can be achieved. Here, among the optical components, the light source and the light receiver understood.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Lichtempfänger symmetrisch um die Lichtquelle angeordnet und jeder Lichtempfänger weist einen gleichen Abstand zu der Lichtquelle auf. Hierdurch ist eine gleiche Voraussetzung für alle Lichtempfänger gegeben, um das Intensitätsmaximum des reflektierten Lichts zu detektieren, so dass eine genaue Bestimmung des Drehwinkels ermöglicht ist.According to a preferred embodiment, the light receivers are arranged symmetrically about the light source and each light receiver is equidistant from the light source. As a result, the same prerequisite for all light receivers is given in order to detect the intensity maximum of the reflected light, so that an accurate determination of the angle of rotation is made possible.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ermittelt die Auswerteeinheit eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Winkelbeschleunigung der Welle aus einer Frequenz zumindest eines der Signale. Vorteilhafterweise gibt die Auswerteeinheit eine z-Koordinate aus, die einem Schwanken der Amplitudenwerte zumindest eines der Signale entspricht, und die Auswerteeinheit aus der z-Koordinate ein Taumeln oder eine Neigung der Welle ermittelt. Mit anderen Worten, die Auswerteeinheit ermittelt aus den Signalen der Lichtempfänger sowohl x-y-Koordinaten als auch z-Koordinaten des Intensitätsmaximums, so dass zusätzliche Kenngrößen der Rotation der Welle ermittelbar sind. Hierbei ist eine Größe der Amplitude durch einen Abstand der Lichtquelle und der Lichtempfänger zu der Welle vorgebbar. Das heißt, je geringer der Abstand zwischen den optischen Komponenten und der Endfläche der Welle ist, desto größer ist die Amplitude der Signale der Lichtempfänger.According to a preferred embodiment, the evaluation unit determines an angular velocity or an angular acceleration of the wave from a frequency of at least one of the signals. Advantageously, the evaluation unit outputs a z-coordinate which corresponds to a fluctuation of the amplitude values of at least one of the signals, and the evaluation unit determines from the z-coordinate a tumbling or an inclination of the shaft. In other words, the evaluation unit determines from the signals of the light receivers both x-y coordinates and z-coordinates of the intensity maximum, so that additional characteristics of the rotation of the shaft can be determined. In this case, a size of the amplitude can be predetermined by a distance of the light source and the light receiver to the shaft. That is, the smaller the distance between the optical components and the end surface of the shaft, the greater the amplitude of the signals of the light receivers.

Ferner ist gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ein erster Bereich der Oberfläche mit lichtabsorbierendem Material beschichtet oder derart verarbeitet, dass Lichtreflexion unterdrückt ist. Vorteilhafterweise ist das lichtabsorbierende Material auf die Oberfläche geklebt, gesprüht oder gepresst. Weiterhin ist vorzugsweise ein zweiter Bereich der Oberfläche mit einem lichtreflektierenden Material vorgesehen. Furthermore, according to a further preferred embodiment, a first region of the surface is coated with light-absorbing material or processed such that light reflection is suppressed. Advantageously, the light-absorbing material is glued, sprayed or pressed onto the surface. Furthermore, a second area of the surface with a light-reflecting material is preferably provided.

Mit anderen Worten, lediglich die Oberfläche der Endfläche der Welle wird bzgl. Lichtreflexion kontrastreich bearbeitet, so dass eine signifikante Intensitätsverteilung mit einem eindeutigen Intensitätsmaximum des reflektierten Lichts erzielbar ist. Es ist auf einfachste Weise möglich, einen großen Helligkeitskontrast der Endfläche der Welle zu erhalten, so dass ein deutlich verbesserter Signalempfang bei den Lichtempfängern erzielbar ist. Hierdurch ist auf die Codescheibe verzichtbar, da die Endfläche der Welle die Funktionalität einer Codescheibe aufweist, wodurch eine Kompaktheit des Sensors deutlich erhöht und die Kosten des Sensors reduziert sind. Mit Wegfall der Codescheibe entfällt auch die exakte Montage der Codescheibe auf die Welle, so dass die Herstellung der Erfassungsvorrichtung kostengünstiger möglich ist.In other words, only the surface of the end surface of the shaft is processed with high contrast with respect to light reflection, so that a significant intensity distribution with a clear maximum intensity of the reflected light can be achieved. It is possible in the simplest way to obtain a large brightness contrast of the end surface of the shaft, so that a significantly improved signal reception in the light receivers can be achieved. This dispenses with the code disk, since the end surface of the shaft has the functionality of a code disk, whereby a compactness of the sensor is significantly increased and the cost of the sensor are reduced. With the omission of the code disc and the exact mounting of the code disc on the shaft, so that the production of the detection device is cheaper possible.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel erstellt die Auswerteeinheit einen Raumvektor aus den x-, y- und z-Koordinaten des Intensitätsmaximums, der visuell darstellbar ist. Die visuelle Darstellung kann für eine präzise und einfache Montage der Erfassungsvorrichtung genutzt werden.According to a further preferred embodiment, the evaluation unit generates a space vector from the x, y and z coordinates of the intensity maximum, which can be visually displayed. The visual representation can be used for a precise and simple mounting of the detection device.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zweite Bereich als eine definierte, symmetrische Form, vorzugweise als Punkt oder Strich, auf der Oberfläche vorgesehen. Hierdurch ergibt sich ein eindeutiges Signalbild mit einer erhöhten Signalqualität.According to a preferred embodiment, the second region is provided as a defined, symmetrical shape, preferably as a dot or dash, on the surface. This results in a clear signal image with an increased signal quality.

Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Motorfeedbacksystem zur Verfügung zu stellen, das kompakt ist.It is a further object of the invention to provide a motor feedback system that is compact.

Die Aufgabe wird durch ein Motorfeedbacksystem gelöst, das eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, einen Motor mit einer Welle und ein Motorgehäuse umfasst, wobei die Erfassungsvorrichtung innerhalb des Motorgehäuses und gegenüber der Endfläche der Welle angeordnet istThe object is achieved by a motor feedback system comprising an optoelectronic sensing device according to any one of claims 1 to 9, a motor having a shaft and a motor housing, the sensing device being disposed within the motor housing and opposite the end surface of the shaft

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Perspektivdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung,
2 die schematische Perspektivdarstellung des Ausführungsbeispiels der Erfassungsvorrichtung, und
3 eine beispielhafte Signalaufzeichnung der Erfassungsvorrichtung.

The invention will be explained below with regard to further advantages and features with reference to the accompanying drawings with reference to an embodiment. The figure of the drawing shows in:

1 a schematic perspective view of a preferred embodiment of a detection device according to the invention,
2 the schematic perspective view of the embodiment of the detection device, and
3 an exemplary signal recording of the detection device.

In der 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Erfassungsvorrichtung 1 zum Erfassen eines Drehwinkels einer um eine Drehachse 1A rotierenden Welle W gezeigt. Hierbei ist nur ein Wellenende der Welle W gezeigt, die beispielsweise zu einem nicht gezeigten Motor eines Motorfeedbacksystems gehört.In the 1 is a schematic perspective view of a preferred embodiment of an optoelectronic detection device according to the invention 1 for detecting a rotation angle of one about a rotation axis 1A rotating shaft W shown. Here is only one shaft end of the shaft W shown, for example, to an engine, not shown, of an engine feedback system.

Die Erfassungsvorrichtung 1 umfasst zumindest eine Lichtquelle 2, die eine Oberfläche O einer Endfläche A der Welle W bestrahlt. Die Lichtquelle 2 ist beispielweise eine LED Lampe, die auf eine Leiterplatte befestigt ist. Die Lichtquelle 2 ist insbesondere koaxial zu der Drehachse 1A der Welle W angeordnet, so dass die Oberfläche O bzw. die Endfläche A der Welle W deckend und gleichmäßig ausgestrahlt ist. Hierzu sendet die Lichtquelle 2 Licht, das wie in den 1 und 2 als Lichtstrahlen 2a dargestellt ist und im Folgenden mit Lichtstrahlen 2a beschrieben wird, in Richtung der Oberfläche O bzw. der Endfläche A der Welle W. Die Lichtstrahlen 2a werden von der Oberfläche O der Welle W teilweise als reflektiertes Licht zurückreflektiert, das wie in den 1 und 2 in Form von Rückstrahlen 2b dargestellt ist und im Folgenden als Rückstrahlen 2b beschrieben wird.The detection device 1 includes at least one light source 2 that have a surface O an end surface A the wave W irradiated. The light source 2 is for example an LED lamp, which is mounted on a printed circuit board. The light source 2 is particularly coaxial with the axis of rotation 1A the wave W arranged so that the surface O or the end surface A the wave W covering and evenly emitted. For this purpose, the light source sends 2 Light, like in the 1 and 2 as light rays 2a is shown and below with light rays 2a is described, in the direction of the surface O or the end surface A the wave W , The rays of light 2a be from the surface O the wave W partially reflected back as reflected light, as in the 1 and 2 in the form of reflected rays 2 B is shown and hereinafter referred to as re-beams 2 B is described.

Zusätzlich sind mindestens drei Lichtempfänger 3a - 3d vorgesehen, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der 1 vier Lichtempfänger 3a - 3d abgebildet sind. Die Lichtempfänger 3a - 3d empfangen jeweils das von der Oberfläche O reflektierte Licht bzw. die Rückstrahlen 2b. Die Lichtempfänger 3a - 3d generieren jeweils ein entsprechendes Signal aus den Rückstrahlen 2b. Hierbei bestehen die Lichtempfänger 3a - 3d vorzugsweise aus Fototransistoren oder Fotodioden, die ebenfalls auf der Leiterplatte befestigt sind. Die Lichtempfänger 3a - 3d sind derart zueinander angeordnet, dass eine Empfangsebene für das reflektierte Licht gebildet ist, in der eine x-y Ebene eines Koordinatensystems x, y und z definiert ist.In addition, at least three light receivers 3a - 3d provided, wherein in the embodiment shown in the 1 four light receivers 3a - 3d are shown. The light receivers 3a - 3d each receive that from the surface O reflected light or the return rays 2 B , The light receivers 3a - 3d each generate a corresponding signal from the return beams 2 B , Here are the light receiver 3a - 3d preferably from phototransistors or photodiodes, which are also mounted on the circuit board. The light receivers 3a - 3d are arranged to each other such that a reception plane for the reflected light is formed, in which an xy plane of a coordinate system x . y and z is defined.

Eine Position jeder Lichtempfänger 3a - 3d ist insbesondere zu der Lichtquelle 2 ausgerichtet und in der definierten x-y Ebene bekannt, so dass die Position der Lichtempfänger 3a - 3d zu der Lichtquelle 2 in einer Auswerteeinheit 4, beispielweise in Form eines Prozessors CPU, hinterlegt ist. Die Auswerteeinheit 4 ist vorgesehen, um den Drehwinkel der Welle W zu bestimmen.One position of each light receiver 3a - 3d is in particular to the light source 2 aligned and known in the defined xy plane, so that the position of the light receiver 3a - 3d to the light source 2 in an evaluation unit 4 , for example in the form of a Processor CPU, is deposited. The evaluation unit 4 is provided to the rotation angle of the shaft W to determine.

Mit anderen Worten, die Lichtempfänger 3a - 3d sind, insbesondere symmetrisch, um die Lichtquelle 2 angeordnet und jeder Lichtempfänger 3a - 3d weist einen gleichen Abstand zu der Lichtquelle 2 auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass alle Lichtempfänger 3a - 3d gleich stark von der Lichtquelle 2 ausgestrahlt sind, im Falle, dass die Oberfläche O der Endfläche A der Welle W einen einheitlichen Reflexionsgrad hat. Ferner ermöglicht eine symmetrische Anordnung der Lichtempfänger 3a - 3d um die Lichtquelle 2 eine unkompliziertere und leichtere Auswertung des reflektierten Lichts gegenüber einer unsymmetrischen Anordnung.In other words, the light receivers 3a - 3d are, in particular symmetrically, the light source 2 arranged and each light receiver 3a - 3d equidistant from the light source 2 on. This ensures that all light receivers 3a - 3d equally strong from the light source 2 are emitted in the event that the surface O the endface A the wave W has a uniform reflectance. Furthermore, allows a symmetrical arrangement of the light receiver 3a - 3d around the light source 2 a more straightforward and easier evaluation of the reflected light compared to an asymmetrical arrangement.

Erfindungsgemäß weist die Oberfläche O Bereiche 5 und 5a mit unterschiedlichem Reflexionsgrad auf. Hierbei ist vorzugsweise ein erster Bereich 5 der Oberfläche O mit lichtabsorbierendem Material beschichtet oder derart verarbeitet, dass Lichtreflexion unterdrückt ist. Das lichtabsorbierende Material ist auf die Oberfläche O geklebt, gesprüht oder gepresst. Weiterhin ist vorzugsweise ein zweiter Bereich 5a der Oberfläche O mit einem lichtreflektierenden Material vorgesehen, so dass die Oberfläche O mit dem ersten und zweiten Bereich 5 und 5a einen hohen lichtreflektierenden Kontrast besitzt.According to the invention, the surface O areas 5 and 5a with different reflectance. Here, preferably, a first area 5 the surface O coated with light-absorbing material or processed so that light reflection is suppressed. The light-absorbing material is on the surface O glued, sprayed or pressed. Furthermore, preferably a second area 5a the surface O provided with a light-reflecting material, so that the surface O with the first and second area 5 and 5a has a high light-reflecting contrast.

Die Auswerteeinheit 4 ermittelt x-y-Koordinaten eines Intensitätsmaximums des reflektierten Lichts bzw. der Rückstrahlen 2b in der Empfangsebene aus den Signalen der Lichtempfänger 3a - 3d. Anhand dieser x-y-Koordinaten bestimmt die Auswerteeinheit 4 den Drehwinkel der rotierenden Welle W.The evaluation unit 4 determines xy coordinates of an intensity maximum of the reflected light or the return beams 2 B in the receiving level from the signals of the light receiver 3a - 3d , Based on this x - y Coordinates determines the evaluation unit 4 the angle of rotation of the rotating shaft W ,

Mit Bezug auf die 1 bedeutet dies, dass die Lichtquelle 2 die Oberfläche O mit dem ersten, lichtabsorbierenden Bereich 5 und dem zweiten, lichtreflektierenden Bereich 5a bestrahlt, so dass die Lichtstrahlen 2a von dem ersten und zweiten Bereich 5 und 5a der Oberfläche unterschiedlich reflektiert werden. Durch die unterschiedlichen Abstände zwischen den Lichtempfängern 3a - 3d zu dem zweiten, lichtreflektierenden Bereich 5a der Oberfläche O treffen die Rückstrahlen 2b unterschiedlich stark bzw. mit unterschiedlicher Intensität auf die Lichtempfänger 3a - 3d auf. Das heißt, das Intensitätsmaximum liegt näher zu dem Lichtempfänger 3a als zu den übrigen Lichtempfängern 3b - 3d.With reference to the 1 This means that the light source 2 the surface O with the first, light absorbing area 5 and the second light-reflecting area 5a irradiated, so that the rays of light 2a from the first and second areas 5 and 5a the surface are reflected differently. Due to the different distances between the light receivers 3a - 3d to the second, light-reflecting area 5a the surface O meet the return beams 2 B different strong or with different intensity on the light receiver 3a - 3d on. That is, the intensity maximum is closer to the light receiver 3a as to the other light receivers 3b - 3d ,

Die Auswerteeinheit 4 ermittelt auf Basis der Signale der Lichtempfänger 3a - 3d die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums der Rückstrahlen 2b bezogen auf das Koordinatensystem x, y und z der Erfassungsvorrichtung 1 in der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d, so dass aus dem Intensitätsmaximum bzw. dessen x-y-Koordinaten die Auswerteeinheit 4 exakt eine Absolutposition des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d und somit den die x-y-Koordinaten zugeordneten Drehwinkel der Welle W bestimmt.The evaluation unit 4 determined based on the signals of the light receiver 3a - 3d the xy coordinates of the intensity maximum of the return rays 2 B based on the coordinate system x . y and z the detection device 1 in the xy plane the light receiver 3a - 3d , so that from the intensity maximum or its xy coordinates, the evaluation unit 4 exactly one absolute position of the intensity maximum in the xy plane of the light receiver 3a - 3d and thus the rotational angle of the shaft associated with the xy coordinates W certainly.

Weiterhin gibt die Auswerteeinheit 4 vorzugsweise eine z-Koordinate aus, die einem Schwanken der Amplitudenwerte zumindest eines der Signale entspricht. Die Auswerteeinheit 4 ermittelt aus der z-Koordinate ein Taumeln oder eine Neigung der Welle W. Das heißt, aus den x-y- und z-Koordinaten des Intensitätsmaximums kann die Auswerteeinheit 4 unterschiedliche Kenngrößen der Rotation der Welle W ableiten. Hierbei kann auch eine nicht ebene Oberfläche O der Welle W verwendet werden, so dass sich durch die Unebenheiten der Oberfläche O eine Abstandsänderung zwischen der unebenen Oberfläche O der Welle W und der Lichtquelle 2 sowie den Lichtempfängern 3a - 3d ergibt, wobei die Abstandsänderung zu einer Änderung der Reflexion führt. Die Änderung ist als Signal in z-Richtung auswertbar.Furthermore, there is the evaluation unit 4 Preferably, a z-coordinate, which corresponds to a fluctuation of the amplitude values of at least one of the signals. The evaluation unit 4 determines from the z-coordinate a tumbling or tilt of the shaft W , That is, from the xy and z coordinates of the intensity maximum, the evaluation unit 4 different characteristics of the rotation of the shaft W derived. This can also be a non-planar surface O the wave W be used, so that by the bumps of the surface O a change in distance between the uneven surface O the wave W and the light source 2 as well as the light receivers 3a - 3d results, wherein the change in distance leads to a change in the reflection. The change can be evaluated as a signal in z-direction.

Vorzugsweise bestimmt die Auswerteeinheit 4 aus den x-y- und z-Koordinaten einen Raumvektor V zwischen einem vorgegebenen Nullpunkt, der in den 1 und 2 als Nullpunkt des Koordinatensystems x, y und z der Erfassungsvorrichtung 1 dargestellt ist, und dem zweiten, lichtreflektierenden Bereich 5b der Oberfläche O. Aus dem Raumvektor V, der vorzugsweise visuell darstellbar ist, ist insbesondere eine Ausrichtung der Leiterplatte mit der Lichtquelle 2 und den Lichtempfängern 3a - 3d zu der Endfläche A der Welle W herleitbar.The evaluation unit preferably determines 4 from the xy and z coordinates a space vector V between a given zero point in the 1 and 2 as the zero point of the coordinate system x . y and z the detection device 1 is shown, and the second, light-reflecting area 5b the surface O , From the space vector V , which is preferably visually representable, is in particular an orientation of the circuit board with the light source 2 and the light receivers 3a - 3d to the end surface A the wave W deductible.

Das heißt mit anderen Worten, anhand des Raumvektors V kann eine Montage der Erfassungsvorrichtung 1 gegenüber der Endfläche A der Welle W derart durchgeführt werden, dass der Raumvektor V vorgegebene x-y- und z-Koordinaten bzw. die Form und Orientierung wie in der 1 dargestellt aufweist. Hierdurch sind die Lichtquelle 2 und die Lichtempfänger 3a - 3d zu dem zweiten Bereich 5b der Oberfläche O ausgerichtet und die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene und die Amplitude des Signals in z-Richtung als Ausgangspunkt kalibriert.In other words, based on the space vector V may be an assembly of the detection device 1 opposite the end surface A the wave W be performed such that the space vector V given xy and z coordinates or the shape and orientation as in the 1 has shown. As a result, the light source 2 and the light receivers 3a - 3d to the second area 5b the surface O and calibrate the xy coordinates of the intensity maximum in the xy plane and the amplitude of the signal in z direction as the starting point.

Wie in der 2 schematisch gegenüber der 1 dargestellt, ist der zweite, lichtreflektierende Bereich 5a auf der Oberfläche O der Endfläche A der Welle W mit der Rotation der Welle W entsprechend dem weißen Pfeil um ca. 45° weitergedreht. Der zweite Bereich 5a befindet sich näher an dem Lichtempfänger 3d als zuvor an dem Lichtempfänger 3a in der 1. Entsprechend treffen die Rückstrahlen 2b intensiver auf den Lichtempfänger 3d auf als auf die anderen Lichtempfänger 3a - 3c.Like in the 2 schematically opposite the 1 is the second, light reflecting area 5a on the surface O the endface A the wave W with the rotation of the shaft W rotated according to the white arrow by approx. 45 °. The second area 5a is closer to the light receiver 3d as before on the light receiver 3a in the 1 , The reverberations meet accordingly 2 B more intense on the light receiver 3d on than on the other light receivers 3a - 3c ,

Somit ermittelt die Auswerteeinheit 4 neue x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene, aus denen der aktuelle Drehwinkel der Welle W bestimmbar ist.Thus, the evaluation determines 4 new xy coordinates of the intensity maximum in the xy Plane that makes up the current angle of rotation of the shaft W is determinable.

Hierbei ist während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 1 selbstverständlich, dass die Ermittlung der x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene kontinuierlich durchgeführt wird, so dass der Drehwinkel der Welle W kontinuierlich bestimmt ist.This is during operation of the detection device according to the invention 1 of course, that the determination of the xy coordinates of the intensity maximum in the xy plane is continuously performed, so that the rotation angle of the shaft W is determined continuously.

Zur Verbesserung der Bestimmung des Drehwinkels ist bereits erwähnt, dass der erste und zweite Bereich 5 und 5a lichtreflektierend kontrastreich zueinander ausgebildet sind. Die Genauigkeit der Bestimmung lässt sich dadurch verbessern, indem der zweite Bereich 5a als eine definierte, symmetrische Form, vorzugsweise als Punkt wie in den 1 und 2 oder als Strich, auf der Oberfläche O der Welle W vorgesehen ist. Durch die definierte, symmetrische Form ist ein klar abgegrenzter Reflexionsbereich mit einer eindeutigen Intensität erhältlich.To improve the determination of the rotation angle is already mentioned that the first and second area 5 and 5a light-reflecting contrast rich are formed to each other. The accuracy of the determination can be improved by the second range 5a as a defined, symmetrical shape, preferably as a point as in Figs 1 and 2 or as a dash, on the surface O the wave W is provided. Due to the defined, symmetrical shape, a clearly defined reflection area with a clear intensity is available.

Aus der 3 ist eine beispielhafte Signalaufzeichnung der Erfassungsvorrichtung 1 gezeigt, bei der die Signale der Lichtempfänger 3a - 3d von der Auswerteeinheit 4 ausgewertet werden und die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums als x- und y-Kurve über die Zeit aufgetragen sind. Hierbei stellt die horizontale Koordinatenachse des Diagramms eine Zeitachse dar und die vertikale Koordinatenachse stellt eine Intensitätsachse der Signale der Lichtempfänger 3a - 3d dar.From the 3 is an exemplary signal record of the detection device 1 shown in which the signals of the light receiver 3a - 3d from the evaluation unit 4 are evaluated and the xy coordinates of the intensity maximum are plotted as x and y curve over time. Here, the horizontal coordinate axis of the diagram represents a time axis, and the vertical coordinate axis represents an intensity axis of the signals of the light receivers 3a - 3d represents.

Bezogen auf das Koordinatensystem x, y und z der Erfassungsvorrichtung 1 wiederholen sich die Signale der Lichtempfänger 3a - 3d bei der Rotation der Welle W periodisch. Die periodische Wiederholung des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d ist als separate x-Kurve und y-Kurve in dem Diagramm aufgetragen. Zusätzlich ist eine Amplitudenänderung der Signale als z-Kurve in dem Diagramm dargestellt, die die Information liefert, dass der zweite, lichtreflektierende Bereich 5a nicht planparallel zu der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d ist.Relative to the coordinate system x . y and z the detection device 1 the signals of the light receivers repeat themselves 3a - 3d at the rotation of the shaft W periodically. The periodic repetition of the intensity maximum in the xy plane of the light receiver 3a - 3d is plotted as a separate x-curve and y-curve in the graph. In addition, an amplitude change of the signals is shown as a z-curve in the diagram, which provides the information that the second, light-reflecting area 5a not plane-parallel to the xy plane of the light receiver 3a - 3d is.

So beträgt beispielsweise die Intensität der x-Kurve zum Zeitpunkt „0“ -100 Einheiten, wobei der Zeitpunkt „0“ als Startpunkt der Rotation der Welle W angesehen werden kann. Sowohl der Verlauf der x-Kurve, y-Kurve als auch z-Kurve wiederholt sich nach einer Zeitdauer T, so dass eine volle Drehung bzw. Rotation der Welle W ermittelt ist. Die Auswerteeinheit 4 berechnet aus den Werten der dargestellten x-, y- und z-Kurve die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums zu jedem Zeitpunkt der Rotation der Welle W. Aus den x-y-Koordinaten leitet die Auswerteeinheit 4 die Absolutposition der Welle W und somit den Drehwinkel der Welle W.For example, the intensity of the x-curve at time "0" is -100 units, with time "0" as the starting point of rotation of the shaft W can be viewed. Both the course of the x-curve, y-curve and z-curve repeats after a period of time T , so that a full rotation or rotation of the shaft W is determined. The evaluation unit 4 calculates from the values of the illustrated x-, y- and z-curve the xy coordinates of the intensity maximum at each moment of rotation of the shaft W , The evaluation unit derives from the xy coordinates 4 the absolute position of the shaft W and thus the angle of rotation of the shaft W ,

Aus einer Frequenz zumindest eines der Signale ist eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Winkelbeschleunigung der Welle W mittels der Auswerteeinheit 4 ermittelbar. Weiterhin ist aus der z-Koordinate ein Taumeln oder eine Neigung der Welle W um die Drehachse 1A ermittelbar. Hierbei ist eine Größe der Amplitude der Signale durch einen Abstand zwischen der Lichtquelle 2 und der Lichtempfänger 3a - 3d zu der Endfläche A der Welle W vorgebbar, so dass bei einer Positionierung der Erfassungsvorrichtung 1 die Amplitudengröße der Signale als Orientierungshilfe genutzt werden kann. Hierdurch vereinfacht sich ein Zusammenbau der Erfassungsvorrichtung 1.From a frequency of at least one of the signals is an angular velocity or angular acceleration of the wave W by means of the evaluation unit 4 determined. Furthermore, from the z-coordinate is a wobble or inclination of the shaft W around the axis of rotation 1A determined. Here, a magnitude of the amplitude of the signals is a distance between the light source 2 and the light receiver 3a - 3d to the end surface A the wave W predeterminable, so that when positioning the detection device 1 the amplitude size of the signals can be used as a guide. This simplifies assembly of the detection device 1 ,

Ferner ist in 3 zum Zeitpunkt P eine Umkehrung der periodischen Verläufe der x-, y- und z-Kurve erkennbar. Hieraus lässt sich ein Richtungswechsel der Rotation der Welle W ableiten.Furthermore, in 3 at the time P a reversal of the periodic curves of the x, y and z curve recognizable. From this can be a change of direction of the rotation of the shaft W derived.

Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 1 benötigt keine rotierenden Teile, wie beispielsweise Kugellager, so dass die Erfassungsvorrichtung 1 mechanisch verschleißfrei arbeitet. Weiterhin ist die Erfassungsvorrichtung 1 besonders kompakt aufgebaut, da sie lediglich die optischen Komponenten (Lichtquelle 2 und Lichtempfänger 3a - 3d) und die Auswerteeinheit 4 umfasst, wobei die optischen Komponenten gegenüber einer lichtreflektierend kontrastreichen Endfläche A einer Welle W angeordnet sind. Hierdurch ist die Erfassungsvorrichtung 1 äußert kostengünstig herstellbar.The detection device according to the invention 1 does not require any rotating parts, such as ball bearings, so the sensing device 1 works mechanically wear-free. Furthermore, the detection device 1 particularly compact, since they only the optical components (light source 2 and light receiver 3a - 3d) and the evaluation unit 4 comprising, wherein the optical components opposite to a light-reflecting high-contrast end face A a wave W are arranged. This is the detection device 1 expresses inexpensive to produce.

Ferner sieht die Erfindung ein Motorfeedbacksystem vor, das einen Motor mit der Welle W und ein Motorgehäuse umfasst. Die Welle W weist die lichtreflektierend kontrastreichen Endfläche A auf, der gegenüberliegend die optoelektronische Erfassungsvorrichtung 1 innerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist. Hierdurch ist ein kompaktes Motorfeedbacksystem möglich.Furthermore, the invention provides an engine feedback system that includes a motor with the shaft W and a motor housing. The wave W has the light-reflecting contrasting end surface A on the opposite the opto-electronic detection device 1 is arranged inside the motor housing. This makes a compact motor feedback system possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Optoelektronische ErfassungsvorrichtungOptoelectronic detection device
1A1A: Drehachseaxis of rotation
22: Lichtquellelight source
2a2a: Lichtstrahlenlight rays
2b2 B: Rückstrahlenreturn beams
3a, 3b, 3c, 3d3a, 3b, 3c, 3d: Lichtempfängerlight receiver
44: Auswerteeinheitevaluation
5, 5a5, 5a: Erster und zweiter Bereich der Oberfläche First and second area of the surface
AA: Endflächeend face
OO: Oberflächesurface
PP: Zeitpunkttime
TT: Zeitdauer einer RotationDuration of a rotation
VV: Raumvektorspace vector
WW: Wellewave
x, y, zx, y, z: Koordinatensystemcoordinate system

Claims

An opto-electronic detection device (1) for detecting a rotation angle of a rotating shaft (W), comprising at least one light source (2) which irradiates a surface (O) of an end face (A) of the shaft (W) and in particular is arranged coaxially to a rotation axis (1A) of the shaft (W), at least three light receivers (3a-3d) each receiving light reflected from the surface (O) and generating corresponding signals, the light receivers (3a-3d) being arranged relative to each other such that a receiving plane for the reflected light is formed an xy plane of a coordinate system (x, y, z) is defined, and an evaluation unit (4) for determining the angle of rotation, wherein the surface (O) has regions (5, 5a) with different reflectance, and the evaluation unit (4) determines xy coordinates of an intensity maximum of the reflected light in the receiving plane from the signals of the light receivers (3a-3d) and uses these xy coordinates. Coordinates determines the angle of rotation of the rotating shaft (W).

Optoelectronic detection device (1) according to Claim 1 in that the light receivers (3a-3d) are arranged symmetrically around the light source (2) and each light receiver (3a-3d) is equidistant from the light source (2).

Optoelectronic detection device (1) according to Claim 1 or 2 , wherein the evaluation unit (4) determines an angular velocity or an angular acceleration of the shaft (W) from a frequency of at least one of the signals.

Optoelectronic detection device (1) according to one of the preceding Claims 1 to 3 wherein the evaluation unit (4) outputs a z-coordinate which corresponds to a fluctuation of the amplitude values of at least one of the signals, and the evaluation unit (4) determines from the z-coordinate a tumbling or an inclination of the shaft (W).

Optoelectronic detection device (1) according to one of the preceding Claims 1 to 4 in which a first region (5) of the surface (O) is coated with light-absorbing material or processed such that light reflection is suppressed.

Optoelectronic detection device (1) according to Claim 5 wherein the light-absorbing material is glued, sprayed or pressed onto the surface (O).

Optoelectronic detection device (1) according to one of the preceding Claims 1 to 6 wherein a second area (5a) of the surface (O) is provided with a light-reflecting material.

Optoelectronic detection device (1) according to Claim 7 wherein the second region (5a) is provided as a defined, symmetrical shape, preferably as a dot or dash, on the surface (O) of the shaft (W).

Optoelectronic detection device (1) according to at least one of the preceding Claims 1 to 8th , wherein the evaluation unit (4) creates a space vector ( V ) from the x, y and z coordinates of the intensity maximum, which is visually representable.

Motor feedback system with an optoelectronic detection device (1) according to one of the preceding Claims 1 to 9 comprising a motor with the shaft (W) and a motor housing, wherein the detection device (1) within the motor housing and opposite the end face (A) of the shaft (W) is arranged.